现代制造业信息化技术-第三章

*3.制造业信息化系统建模技术

3.1数字化产品建模方法

3.2特征建模方法

3.3功能模型建模方法

3.4信息模型建模方法*3.1数字化产品建模方法

模型是实际对象或系统的抽象及简化表示，是抽取研究对象的本质特征，忽略或精简一些次要的非本质影响因素的对象表示法。3.1.1基本概念

(1).

产品数据与产品数据模型

是指产品生命周期所有阶段有关产品的数据总和。一个完整的产品定义数据模型不仅是产品数据的集合，还应反映出各类数据的表达方式以及相互间的关系。*3.1数字化产品建模方法(2).

产品建模

将人们头脑中构思的产品模型转换成用图形、符号或算法表示的形式，然后形成计算机内部数据模型的过程。换句话说，就是在计算机内部产生、存储、处理和表达产品的过程。

(3).

机械产品建模

根据使用需求确定产品应具备的功能，构思出产品的工作原理、运动方式、力和能量的传递，结构形状以及所使用的材料等事项，将其在计算机内部转化为具体描述或数据模型，例如图纸、文档等。*3.1数字化产品建模方法(4).

数字化产品建模

定义和表达产品在全生命周期中所必需的产品数据内容，数据关系以及活动过程的数字化信息模型。换句话说，数字化产品建模是建立产品数字化信息模型的过程。

3.1.2零件信息模型

(1).零件信息模型的总体结构

零件信息模型是一个层次的结构，包含有零件层、特征层和几何层。零件层主要反映零件的总体信息；特征层包含各类特征信息及其相互间关系；几何层记录了零件的点、线、面的几何/拓扑信息。*3.1数字化产品建模方法基于特征的零件信息模型的总体结构*3.1数字化产品建模方法(2).零件信息模型的数据结构

1）管理特征数据结构

管理特征描述零件的总体信息和标题栏信息。E-枚举数据类型I-整形数据类型S-字符数据类型

2）形状特征数据结构

形状特征包括有几何属性、精度属性、材料热处理属性和关系属性等。零件类型零件名图号GT码件数材料名设计者设计日期其他ESSS1SSS*3.1数字化产品建模方法形状特征的数据结构3）精度特征的数据结构。包括：精度规范信息、实体状态信息、基准信息。*3.1数字化产品建模方法4）材料热处理特征的数据结构

包括：材料信息和热处理信息。如下图所示：*3.1数字化产品建模方法5）技术特征的数据结构

包括：零件的技术要求和特性表等。

(3)基于特征的零件信息模型的应用举例技术要求：调质处理，硬度200-250HBS。基于特征的零件信息模型的数据结构实例*3.1数字化产品建模方法3.1.3产品信息模型

产品信息模型是指产品从毛坯到成品的整个设计和制造过程所需要的信息总和，它是由产品结构信息模型和产品工艺信息模型组合而成的复合模型。

(1).产品结构信息模型

1）产品结构信息模型

产品结构信息模型是描述产品的结构组成以及各组成元素相互关系的信息总和。构成产品的组成元素包括部件、组件和零件。

产品结构信息包含三类信息：工程图形信息、基本属性信息、装配信息。*3.1数字化产品建模方法产品结构信息模型如下：

产品结构信息模型也可以用产品明细表BOM进行描述。其结构为：零部件代码零部件基本信息(图号、材料、规格、来源等)父件代码*3.1数字化产品建模方法2）产品结构的自动编码及可视化处理一般采用层次数字码来描述树形产品结构。首先要对产品结构进行编码。产品结构码编码规则如下：*3.1数字化产品建模方法

图中××为产品的基本信息；@位代表了层次结构，且肯定不为零；#位为顺序号，如####表示0001～9999的顺序号。

产品结构的可视化处理是利用计算机对产品结构码进行分析，再现产品结构树的处理过程。*3.1数字化产品建模方法(2).产品工艺信息模型

产品工艺信息模型是表示构成产品的零件从毛坯到成品的全部工艺过程信息的模型。产品工艺信息模型示意图如下：*3.2特征建模方法3.2.1

特征与特征建模的概念

特征：是一组具有特定属性且相互关联的几何形体，是零件形状、工艺和功能等特征信息集的综合描述。它能携带和传送有关设计和制造所需要的工程信息。

特征建模：是指通过特征及其集合来定义和描述零件模型的过程。*3.2特征建模方法3.2.2特征的分类与特征间的关系(1).特征的分类

1）形状特征

描述零件上有一定拓朴关系的几何形状信息。形状特征是携带其他特征信息的载体。形状特征可分为主要形状特征和辅助形状特征，其中主要形状特征用于构造零件的基本形状，辅助形状特征用于对主要形状特征的补充。

2）精度特征用于描述产品、零件几何形状和尺寸的误差信息。

3）材料特征用于描述产品、零件的材料成分、物理化学指标、热处理方法

*4）技术特征用于描述产品、零件的性能、工艺技术要求、功能等信息。5）管理特征6）装配特征用于描述零件之间、特征之间的装配关系、装配方向、配合表面、装配顺序、装配工具等信息3.2特征建模方法*3.2特征建模方法(2).特征表达与特征联系

1）特征的表示与约束对形状特征的表示有三种方法，即边界表示(B-rep)、几何体素构造表示(CSG)和二者的混合表示。

特征约束是指对特征的形状尺寸或工程信息的限制。分为几何约束和工程约束。

2）特征联系

邻结关系：反映主要形状特征间的空间相互位置关系。

所属关系：反映特征对象与其所属特征类间的关系。*3.2特征建模方法

引用关系：描述特征类间作为关联属性而相互引用的关系。

附属关系：辅助形状特征从属于一个主要特征或另一个辅助形状特征构成的关系。3.2.3

制造特征的层次结构

制造特征之间可以形成树状的层次结构。特征之间是否形成父子关系，取决于加工时是否相互影响。零件特征对象的层次结构如下图所示。

零件特征的对象层次结构图*3.2特征建模方法3.2.4特征建模

(1).

特征模型零件特征的组成可用如下特征集F

表示：式中：i表示特征数；j表示特征分类；

—形状特征集；

—精度特征集；

—材料特征集；

—装配特征集；

1）零件特征模型可以用数据结构表示，如下图所示：*2）零件相关性特征模型也可用特征关系树表示，关系树的建立过程如下图所示：a）零件特征构成模型b）零件特征关系分析c）零件特征关系树*3.2特征建模方法(2).

特征的层次结构特征的层次结构可以定义为三层(如下图所示)，即应用特征层、形状特征层和几何表达层。应用特征描述生产活动的过程属性。

应用特征层描述生产活动的过程属性。

形状特征层描述特征的基本形状构成。

几何表达层是表达特征形素构成信息(点、线、面、体)的数学模型和数据结构。*特征层次结构面向设计过程的特征分类层次细化结构(3).

基于特征的零件信息模型的层次结构用零件总体信息层、特征信息层、形状几何层三层来描述，如下图所示：*3.3功能模型建模方法

功能建模常用的方法是IDEF0方法。该模型由一系列图形组成。图形元素主要是简单的盒子及箭头。

IDEF0方法把描述功能活动的图形称为活动图形，其中，盒子表示活动，箭头表示由系统处理的事件。

3.3.1

活动图形

IDEF0模型按照结构化方法自顶向下，逐步分解细化。一个系统的功能模型用一组递阶分解的活动图形来表示，其递阶关系可以表示成树状结构，底层的详细图是顶层较抽象图的一个分解，顶层较抽象的图称为父图，底层详细图称为子图。*3.3功能模型建模方法3.3.2

盒子

盒子代表活动，用主动的动词短语来描述，盒子的内部写上描述盒子的短语，盒子的右下角写上编号，从1编到6。盒子的四边表示输入、控制、输出与机制。3.3.3箭头在活动图形上，箭头代表资料约束，而不代表流或顺序。

IDEF0递阶层次分解图

箭头有两类：一类称内部箭头，它的两端分别连在图形的盒子上。另一类称边界箭头，它两端中的一端是开的，表示由图形以外的活动所产生，或供图形以外的活动所使用。盒子底部的机制箭头指出活动是依靠什么来完成的。*3.3功能模型建模方法3.3.4功能建模的基本原则及应用实例

IDEF0图展开的基本原则是：

1）一次分解的子功能数不宜超过6；

2）对展开的子功能进行编号，编号按子功能在图形中的位置自上而下，从左至右的顺序，用自然数标注在盒子的右下角；

3）展开后图形中的箭头有两类，一类是内部箭头，其两端分别联到两个盒子上，表示两个子功能之间的联系；箭头也可以连到同一个盒子的不同侧面上，表示该功能本身存在的反馈作用；另一类箭头是边界箭头，表示子功能继承了其父功能的某种对外联系；

4）ICOM码。I、C、O、M码分别代表输入、控制、输出和支撑机制；

5）结点号用来标志图形和盒子在层次中的位置。CAD/CAM系统功能模型AO图3.4信息模型建模方法(121-132)*3.4信息模型建模方法

信息模型是指采集和整理共享信息数据的基本模式及其联系，信息模型建模常用的方法是IDEF1X方法。3.4.1IDEF1X模型的基本结构

IDEF1X模型的基本结构：

1）包含数据的有关事物，例如人、概念、地方和事物等，用盒子来表示；

2）事物之间的联系，用连接盒子的连线来表示；

3）事物的特征，用盒子中的属性名来表示。*3.4信息模型建模方法

其基本成分有：

(1).实体(entity)

实体包括三部分内容：语义、语法和规则。实体表示具有相同属性或特性的一个现实或抽象事物的集合。实体又分为独立实体和从属实体两类，独立实体是指从不依赖于其他实体存在的实体；从属实体是指必须依赖于其他实体才能存在的实体。

IDEF1X用矩形表示实体，其中方角的矩形表示独立实体，圆角的矩形表示从属实体。在矩形的上方应标出实体的名称和序号，用“/”分隔。实体的名称不允许有二义性，通常用名词或名词短语命名。*独立实体和从属实体的表示符号实体存在下述规则：

1）每一个实体必须有惟一的实体名；

2）一个实体可以有多个属性，属性可以是自身固有的，也可以是继承的；

3）实体应有一个或多个能惟一标识实体实例的属性；

4）任何实体可以与其他实体有联系。*3.4信息模型建模方法独立实体

独立实体的各种属性的数据通常以表格、曲线、手册等形式出现，在相当一段时间内稳定不变，并经常被查问和引用。采用只读静态数据库的方法来维护的。从属实体独立实体参与生产活动所派生出来的动态信息，按照IDEF1的定义，属于从属实体或派生实体。派生实体的各种属性信息的数据将随时间不断地改变，是生产活动过程中产生的报表，用于反映事物在某一时间的状态。中间数据信息也是一种从属实体。*3.4信息模型建模方法(2).属性

属性表示实体的特征和性质；属性名称一般用名词或名词短语表示。实体被一水平分割线分割，其中主关键字属性位于实体分割线的上方，非关键字属性位于下方。

属性存在下述规则：

1）每个属性必须有一个惟一的名称。

2）一个实体可以有多个属性，一个属性只能属于一个实体，这就是“单属规则”。

3）一个实体可以有多个继承属性，而每个继承属性都必须是某个相关的父实体或一般实体主关键字的一部分。*3.4信息模型建模方法

4）实体实例不允许重复，即为非重复规则。属性及其表示如下图。(3)连接关系在IDEF1X中，连接关系用来描述实体之间的联系。连接关系包括确定连接关系、非确定连接关系和分类关系三种。确定连接关系是“一对多关系”。非确定连接关系又称为“多对多关系”。*3.4信息模